[行业技术文章]电能质量分析方法与控制技术探讨

作者：孙　可

0引言
　　随着国平易近经济的成长，科学技术的前进和生产进程的高度自动化，电网中各类非线性负荷及用户不竭增加；各类复杂的、细密的，对电能敏感的用电装备越来越多。上述两方面的矛盾越来越突出，用户对电能的要求也更高，在这样的情况下，探讨电能领域的相关理论及其控制技术，分析我国电能治理和控制的成长趋向，具有很强的观实意义。
1衡电能的主要指标
　　由于所处立场分歧，关注或表征电能的角度分歧，人们对电能的界说还未能告竣完全的共识，可是对其主要技术指标都有较为一致的熟悉。
　　(1)电压误差（voltagedeviation）：是电压下跌(电压跌落)和电压上升(电压隆起）的总称。
　　(2)频率误差（friquencydeviation）：对频率的要求全网不异，不因用户而异，列国对于该项误差尺度都有相关划定。
　　(3)电压三相不服衡（unbalance）：浮现为电压的年夜偏移与三相电压的平均值跨越划定的尺度。
　　(4)谐波和间谐波（harmonics&inter-hamonics）：含有基波整数倍频率的正弦电压或电流称为谐波。含有基波非整数倍频率的正弦电压或电流称为间谐波，小于基波频率的分数次谐波也属于间谐波。
　　(5)电压波动和闪变（fluctuation&flicker）：电压波动是指在包络线内的电压的有划定规矩变更，或是幅值凡是不超越0.9～1.1倍电压范围的一系列电压随机变化。闪变则是指电压波动对照明灯的视觉影响。

2电能问题的发生
2.1电能问题的界说和分类
　　电能问题是众多单一类型电力系统干扰问题的总称，其实是电压问题。电能问题按发生和延续时间可分为稳态电能问题和动态电能问题。
2.2电能问题发生缘由分析
　　随着电力系统规模的不竭扩年夜，电力系统电能问题的发生主要有以下几个缘由。
2.2.1电力系统元件存在的非线性问题
　　电力系统元件的非线性问题主要包括：发机电发生的谐波；变压器发生的谐波；直流输电发生的谐波；输电线路（非凡是超高压输电线路）对谐波的放年夜作用。此外，还有变电站并联电容器抵偿装配等身分对谐波的影响。其中，直流输电是今朝电力系统年夜的谐波源。
2.2.2非线性负荷
　　在工和生活用电负载中，非线性负载占很年夜比例，这是电力系统谐波问题的主要来历。电弧炉（包括交流电弧炉和直流电弧炉）是主要的非线性负载，它的谐波主要是由起弧的时延和电弧的严重非线性引发的。居平易近生活负荷中，荧光灯的伏安特征是严重非线性的，也会引发严重的谐波电流，其中3次谐波的含高。年夜功率整流或变频装配也会发生严重的谐波电流，对电网造成严重污染，同时也使功率因数下降。
2.2.3电力系统故障
　　电力系统运行的内外故障也会造成电能问题，如各类短路故障、自然现象灾难、工钱误操作、电网故障时发机电及励磁系统的工作状态的改变、故障庇护装配中的电力电子装备的启动等都将造成各类电能问题。

3电能分析方式
3.1时域仿真法
　　时域仿真方式在电能分析中的运用为普遍，其主要的用途是哄骗各类时域仿真法式对电能问题中的各类暂态现象进行研究。今朝较通用的时域仿真法式有EMTP、EMTDC、NETOMAC等系统暂态仿真法式和SPICE、PSPICE、SABER等电力电子仿真法式。
　　采用时域仿真计较的错误谬误是仿真步长的拔取决议了可模拟的年夜频率范围，是以必需事前知道暂态进程的频率笼盖范围。此外，在模拟开关的开合进程时，还会引发数值振荡。
3.2频域分析法
　　频域分析方式主要包括频率扫描、谐波潮水计较和夹杂谐波潮水计较等，该方式多用于电能中谐波问题的分析。
　　频率扫描和谐波潮水计较在反映非线性负载动态特征方面有一定局限性，是以夹杂谐波潮水计较法在近些年中成长起来。其点是可具体斟酌非线性负载控制系统的作用，是以可切确描写其动态特征。错误谬误是计较年夜，求解进程复杂。
3.3基于变换的方式
　　在电能分析领域中普遍运用的基于变换的方式主要有Fourier变换、神经网络、二次变换、小波变换和Prony分析等5种方式。
3.3.1Fourier变换
　　Fourier变换是电能分析领域中的基本方式，在实时系统中，凡是采用短时Fourier变换方式(STFT)和快速Fourier变换方式(FFT)。
　　Fourier变换的点是算法快速简单。但其错误谬误也很多：（1）虽然能够将旌旗灯号的时域特征和频域特征联系起来观察，但不能将两者有机地连系起来。（2）只能顺应于肯定性的平稳旌旗灯号(如谐波)，对时变非平稳旌旗灯号难以充实描写。（3）STFT的离散形式没有正交展开，难以实现高效算法；只适合于分析特征尺度年夜致不异的进程，不适合分析多尺渡过程和突变进程。（4）FFT变换的时间信息哄骗不充实，任何旌旗灯号冲突城市致使整个频带的频谱散布；在不知足条件条件时，会发生“旁瓣”和“频谱泄露”现象。
3.3.2神经网络法
　　神经网络理论是巨信息并行处置和年夜规模平行计较的根蒂根基，它既是高度非线性动力学系统，又是自顺应组织系统，可用来描写认知、决议计划及控制的智能行为。
　　神经网络法的点是：（1）可处置多输进－多输出系统，具有自学习、自顺应等特点。（2）没必要建立切确数学模子，只斟酌输进输出关系即可。错误谬误是：（1)存在局部极小问题，会泛起局部收敛，影响系统的控制精度；（2)理想的操练样本提取坚苦，影响网络的操练速度和操练；（3)网络结构不容易化。
3.3.3二次变换法
　　二次变换是一种基于能角度来斟酌的新的时域变换方式。该方式的基来源根基理是用时间和频率的双线性函数来暗示旌旗灯号的能函数。
　　二次变换的点是：可以准确地检测到旌旗灯号发生尖锐变化的时刻；切确丈基波和谐波份的幅值。错误谬误是：没法准确地估原始旌旗灯号的谐波份幅值；不具有时域分析功能。
3.3.4小波分析法
　　小波变换是新的多尺度分析数字技术，它经由过程对时间序列进程从低分辨率到高分辨率的分析，显示进程变化的整体特征和局部变化行为。经常使用的小波基函数有：Daubechies小波、B小波、Morlet小波Meyer小波等。
　　小波变换的点是：（1）具有时－频局部化的特点，非凡适合突变旌旗灯号和不服稳旌旗灯号分析。（2）可以对旌旗灯号进行往噪、识别和数据压缩、还原等。错误谬误是：（1）在实时系统中运算较年夜，需要如DSP等高价格的高速芯片。（2）小波分析有“边缘效应”，鸿沟数据处置会占用较多时间，并带来一定误差。
3.3.5Prony分析法
　　Prony分析衰减的思想类似于小波。在该方式中，旌旗灯号总是被认为可以由一系列的衰减的正弦波组成，这些衰减正弦波类似于小波函数。所以Prony分析方式和小波一样，可以做多尺度的旌旗灯号分析。Prony分析的主要错误谬误是计较时间太长。

4电能的控制策略与技术
4.1几种电能控制策略
　　（1）PID控制：这是运用为普遍的调理器控制纪律，其结构简单、稳定性好、工作靠得住、调整利便，易于在工程中实现。当被控对象的结构和参数不能完全掌控，或得不到切确的数学模子时，运用PID控制技术为利便。其错误谬误是：响应有超调，对系统参数摄动和抗负载扰动能力较差。
　　（2）空间矢控制：空间矢控制也是一种较为常规的控制方式。其原理是：将基于三相静止坐标系(abc)的交流经过派克变换获得基于旋转坐标系(dq)的直流从而实现解耦控制。常规的矢控制方式一般采用DSP进行处置，具有秀的稳态性能与暂态性能。也可采用简化算法以缩短实时运算时间。
　　（3）模糊逻辑控制：知道被控对象切确的数学模子是使用经典控制理论的"频域法"和现代控制理论的“时域法”设计控制器的条件条件。模糊控建造为一种新的智能控制方式，无需对系统建立切确的数学模子。它经由过程模拟人的思维和语言中对模糊信息的表达和处置方式，对系统特征进行模糊描写，来下降获取系统动态和静态特征支出的价格。
　　（4）非线性鲁棒控制：超导储能装配(SMES)现实运行时会遭到各类不肯定性的影响，是以可经由过程对SMES简直定性模子引进干扰，获得非线性二阶鲁棒模子。对此非线性模子，既可运用反馈线性化方式使之全局线性化，再哄骗所有线性系统的控制纪律进行控制，也可直接采用鲁棒控制理论设计控制器。
4.2FACTS技术
　　FACTS，即基于电力电子控制技术的灵活交流输电，是上世纪80年月末期由美国电力研究院（EPRI）提出的。它经由过程控制电力系统的基本参数来灵活控制系统潮水，使输送容更接近线路的热稳极限。采用FACTS技术的焦点目的是增强交流输电系统的可控性和增年夜其电力传输能力。
　　今朝有代表性的FACTS装配主要有：可控串联抵偿电容器、静止无功抵偿器、晶闸管控制的串联投切电容器、统一潮水控制器等。
4.3用户电力（CustomPower）技术
　　用户电力技术就是将电力电子技术、微处置机技术、自动控制技术等运用于中低压配电系统和用电系统中，其目的是增强配电系统的供电靠得住性，并减小谐波畸变，改善电能。该技术的焦点器件IGBT比GTO具有更快的开关频率，而且关断容已达MVA级，是以DFACTS装配具有更快的响应特征。
　　用户电力技术概念的提出，有助于供电部门提供高靠得住性和高的电力，也有助于知足各类新工艺用户对电力供给的更高要求。今朝主要的DFACTS装配有：有源滤波器(APF)、动态电压恢复器(DVR)、配电系统用静止无功抵偿器(D－STATCOM)、固态切换开关(SSTS)等。

5电能控制的成长标的目的
5.1研究电能分析控制领域的根蒂根基性工作
　　一方面要深进索求电能领域的根蒂根基性研究工作，包括电能的界说、评价尺度与系统，电能问题的浮现形式、影响身分、防治方式等。同时，积极研究电能控制的新方式、新技术和新策略，将更为进步前辈、科学的控制理念和控制思想借鉴到电能治理领域。
5.2推行使用数字化电能控制技术
　　以DSP为根蒂根基的实时数字旌旗灯号处置技术在控制领域获得普遍运用，其点为：①可提高系统稳定性、靠得住性和灵活性；②由法式控制，改变控制方式或算法时没必要改变控制电路；③可重复性好，易调试和批生产；④易实现并联运行和智能化控制。随着DSP性能的不竭改善和价格的下降，电能控制装配将用DSP来实现实时旌旗灯号处置从而取代模拟控制。
5.3对电能检测技术的新要求
　　传统的检测仪器一般局限于延续性和稳定性指标的检测，而且仅测有用值已不能切确描写现实的电能问题，是以需要成长新的监测技术。具体要求包括：①能捕捉快速(ms级甚至ns级)瞬时干扰的波形；②需要丈各次谐波和间谐波的幅值、相位；③需要有足够高的采样速度，以便能和得相当高次谐波的信息。④建立有用的分析和自动辩识系统，反映各类电能指标的特征及其间的变化纪律。
5.4年夜力成长运用新技术
　　电力电子技术的运用可以年夜年夜提高电网的电能，FACTS、CusPow等新技术更是为解决电能问题开拓了广漠的前景，同时一些非电力电子技术的成长也很迅猛，将这些技术融合成长，并合理使用、年夜力推行，必然会慢慢知足电力负荷对电能日益提高的要求。